基于gprs的水库水位实时监测系统研究(可编辑)

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基于GPRS的水库水位实时监测系统研究分类号:密级:学号:2007G068单位代码:10407硕士学位论文论文题目:基于GPRS的水库水位实时监测系统的研究研究方向网络化传感技术专业名称控制工程研究生姓名徐航导师姓名、职称许伦辉教授2012年5月28日江西?赣州I摘要水库水情监测作为一项前期的基础性工作,作为抗旱防汛工作的耳目和参谋,监测的精度和质量都会影响到水情信息获取的实时性和准确性,从而间接地影响到防汛抗旱的科学决策。科技的不断向前发展,计算机、通讯、微电子等多方面的先进技术逐渐地应用到了水位监测中,智能化和网络化已成为水情监测系统的重要发展方向。由于大部分的水库位置偏僻、交通不便、条件艰苦,依靠人工采集监测数据存在执行效率低,不方便等 问题。如果通过有线通讯组网收集数据又受到组网的条件和维护成本的限制。为解决这些问题,本论文在分析现有水库水位监测系统的基础上,采用新型的水位传感技术和成熟的移动通信技术,设计了一种基于GPRS的水库水位实时监测系统,实现水库水位数据的实时采集、报送和存储等功能。该系统主要由数据采集终端、通信网络(GPRS网络和Internet)、远程监测中心三个部分构成。其中数据采集终端由传感器、微处理器、存储器、通讯模块组成,主要完成数据的采集处理和传输、控制命令的解码和执行等任务。GPRS通讯模块与ATmega128单片机相连实现信息的接收和发送,并可以通过GPRS网络与Internet上的监测中心计算机建立连接,完成数据的远程传输,实现水库水位的实时监测。该系统可以及时的为水位监测部门提供准确的信息,提高水位监测部门的工作效率和管理水平。关键词:水库GPRS水位监测ATmega128IIABSTRACTThemonitoringofwaterhydrologicalconditionsofreservoirsisafundamentaland preliminaryworkaswellasthereferenceoffloodcontrolanddroughtrelief,thequalityandaccuracyofwhichwillgreatlyinfluentthereal-timedataofhydrologicalconditionsandstrategicdecisiononfloodcontrolanddroughtrelief.Advancedtechnologiessuchascomputerizing,communicationandmicroelectronicsarenowapplyingtowater-levelmonitoringwiththerapidtechnologicdevelopment.Thewater-levelmonitoringsystemisnowmuchemphasizingonitsintelligentizingandnetworking.Aremotereservoirofmalcondition,theinconvenienceandlow-efficiencyofrecordingmonitoring-databymenandthehighmaintainingcostsofcommunicatingmonitoringdatabywirednetworkaretheproblemsthatreallyexist.Tosolvetheseproblems,thethesisonthebasisofanalyzingavailablewater-levelmonitoringsystem,connectedwithlatestsensortechnologyandmobilecommunicationtechnology,focusesondesigningareal-timewater-levelandhydrologicalconditionmonitoringsystembasedonGPRS inordertobringaboutthepromptandreal-timecollection,reportandstorageofthehydrologicaldataofareservoirThereal-timewater-levelandhydrologicalconditionmonitoringsystemconsistofdatacollectionterminal,communicationnetworkGPRSandInternetandremotemonitoringcenterDatacollectionterminalismainlyinchargeofcollecting,processing,communicatingofdatainadditiontodecodingandexecutingcontrolcommand,whichincludessensor,microprocessor,memoryandcommunicationmodule.TheconnectionofGPRSandATmega128canalsoreceiveandsendinformationaswellasremotelycommunicatedatabynetworkandthecomputerinmonitoringcenteronInternetsoastomonitorreal-timewaterlevel.Thesystemcanprovideorganizationsofwaterresourceswithpromptandaccuratedata,improvetheirlevelofmanagementaswellKeywords:ReservoirGPRSwater-levelmonitoringATmega128III目录 摘要IABSTRACT.III第一章绪论11.1课题研究背景与意义11.1.1课题研究背景11.1.2课题研究目的及意义11.2国内外研究现状.21.2.1水位监测终端21.2.2远程实时监测系统21.2.3水位实时监测系统31.3课题研究的主要内容4第二章系统总体方案设计52.1系统功能.52.2系统整体结构52.3水位监测终端62.3.1控制模块.62.3.2水位传感器62.3.3GPRS通讯模块72.4系统通讯方式72.4.1GPRS通信技术72.4.2组网方式选择72.5监测中心软件设计8 2.6本章小结.9第三章监测终端硬件设计.103.1总体设计103.2ATmega128简介103.3水位传感器的选型与电路设计123.3.1水位传感器的选型.123.3.2信号调理电路设计.123.4GPRS通讯模块设计143.4.1GPRS通讯模块简介.143.4.2电源设计163.4.3串行口接口电路设计16IV3.4.4控制接口设计173.4.5网络指示灯设计173.5时钟电路设计183.6外部存储器扩展193.6.1SRAM扩展193.6.2FLASH扩展203.7电源电路设计203.8本章小结22第四章监测终端软件设计.234.1系统初始化.234.2数据的采集.27 4.2.1时钟数据采集284.2.2ADC数据的采集.304.3外部数据存储器的数据读写314.4通信协议设计与实现324.4.1SL427-2008数据传输规约概述324.4.2帧格式334.4.3链路层规定.334.4.4应用层354.4.5通讯链路的设计与实现374.5本章小结38第五章监测中心设计395.1硬件需求395.2网络通讯程序设计.395.2.1Socket编程.395.2.2OPCServer设计415.3监测软件设计425.3.1软件概述425.3.3软件开发工具介绍.425.3.4软件开发流程435.3.5组建系统工程445.3.6数据库变量设置445.3.7通信组态设置45 5.3.8数据库组态设置465.4监测软件的功能47V5.4.1监测画面显示475.4.2实时通讯功能485.4.3实时查询功能495.4.4历史趋势曲线显示.495.4.5Web发布功能505.5本章小结50第六章系统调试与运行516.1调试环境.516.2调试中遇到的问题及解决措施.526.2.1GPRS模块通信526.2.2传感器信号调理电路526.2.3实验数据采集536.2.4实验结果分析546.3本章小结.54第七章总结与展望.557.1总结.557.2展望与改进建议55参考文献57致谢59VI第一章绪论 1.1课题研究背景与意义1.1.1课题研究背景我国是全世界水库保有量和总库容最大的国家,同时也是水库保护人口最多、水库隐患最多,水库度汛安全任务最重的国家。近年来,随着全球恶劣气候的增多,我国的局部特大暴雨、突发山洪和超强台风等极端天气的出现频率明显增多、强度有所增加、影响范围呈增大趋势,这都对水库特别是存在病险隐患的水库的安全构成了严重威胁。据国家水利部门统计,1999年至2008年,全国59件水库垮坝事件中,就有30座水库是因强降雨引发超标准洪水而垮坝的,比例高达51%。我国水库水情监测预警预报能力不足的问题相对突出。据国家水利部统计,全国各种类型的水库都有相当比例的水库没有专用的水情监测报告设施,其中重点中型水库的比例是19%,一般中型水库的比例是25%,小(1)型水库的比例是63%,小2型水库的比例是74%,这使得这些水库难以及时准确地掌握库区水情变化。另有相对比例的水 库没有配备通讯设施,而且水库下游地区普遍缺乏现代化的预警设施,仍然依靠传统的高音喇叭、放鞭炮、敲锣等方式报警,突发情况下的应急处置能力严重不足。近年来GPRS移动通信系统发展迅速,将这项技术与水位监测终端相结合,组成远程水位实时监测系统,是实现水位监测自动化、网络化的一种非常好的方法。水位监测终端通过GPRS网络能够实时地将水位信息传输到Internet上,工作人员无论在办公室还是在家里,只要通过计算机上网就能及时了解水位信息。而且通过监测软件长时间地记录存储水位信息,还可分析指定的某一阶段水库的水位信息,对水库水位发出预警以便及时做好防洪准备。1.1.2课题研究目的及意义水库水情监测的主要任务是测定水库降雨量和水位等水文要素自然变化的情况,为防汛抗旱决策提供基础数据,是防汛抗旱的耳目和参谋。作为一项长期的基础性工作,监测质量和监测精度都将直接影响水情信息的实时性和准确性,影响对防汛抗旱决策的 科学性,加强水情监测基础设施的建设,强化水情数据的采集和传输工作,提高水情监测质量成为了当务之急。由于传统的水位数据采集设备无法与现有的遥测系统进行对接,必须进行更新或改造,实现水情数据的自动化采集、远距离传输和长期自动存储以适应现代数字通讯和计算机的应用要求。本文研究的目的就是将水位监测设备与移动通讯技术结合应用到传统的水库水位1监测工作中,设计一种具有实时性、实用性、自动化程度高、远距离监控及安装维护方便的水位实时监测系统。以期有效地提高水库水位实时监测的站点密度和覆盖面,大大提高报汛的时效性和预报精度,扩大防汛预报的有效预见期,在争取防汛的主动性上发挥重要作用。1.2国内外研究现状1.2.1水位监测终端水位监测终端作为水位监测系统中的重要组成部分,决定着整个系统的数据采集精读。鉴于它在水位监测中的重要性,国内外很早就 开始了研究。传统的水位监测终端由水位传感器和二次仪表组成,人们通过二次仪表的显示读取水位数据。随着科学技术的不断发展,水位监测终端逐渐向自动化、智能化的方向发展。国外的各种水位监测终端的技术都比较成熟,在性能上也比较稳定和可靠,特别是各种新型水位传感器的出现,大大提高了测量的精度。但是相对应的价格也比较昂贵,从我国的实际国情出发,用国外的水位监测终端开发水位监测系统在很多情况下都会存在使用成本太高的问题。国内水位监测终端技术现在正处于发展阶段,不少的研究机构都有研究水位监测终端,也有一些研制成功的水位监测终端投入了生产和使用。虽然在功能齐全、性能稳定等方面与国外先进的同类产品存在一定的差距,但其成本较国外的产品普遍低廉。并且仍不能满足国内水位监测的大量需求。1.2.2远程实时监测系统随着计算机技术和现代通讯技术的发展和融合,远程实时监测系统应运而生。这种 系统的工作过程大致如下:首先通过安装在现场的各种传感器或其它的检测装置实时采集所需的现场数据,然后通过通讯网络将采集的数据远程传输到监测中心,最后由监测中心的服务器对采集数据进行处理,以获得各种有价值的信息,实现远程实时监测的功能。我国对远程监测系统的研究和开发开始于20世纪60年代,当时的研究主要在一些科研单位进行,部分企业也有涉足。但是当时的研究并未取得什么突破,研制的系统都在技术上或者制造和实用成本上受到约束,因此也始终没能大范围的推广使用。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,网络技术和通信技术的融合加速,到80年代后期,超短波通信、数字微波通信或卫星通信等远程通讯方法的应用使得基于计算机技术及数字处理技术的监测系统研制获得突破,各种监测系统开始在生产生活中的各个领域广泛的应用。超短波通信、数字微波通信和卫星通信技术都是比较成熟的技术,具备良好的通信 效果,很好地满足了当时的数据通信的要求,但同时也存在许多固有的缺陷。例如为了2减少数据信号的衰减,利用超短波通信或数字微波通信时都需要架设许多中继站。大量中继站的建设不仅使得系统的前期投入费用高而且使用时也不易维护。随着基于无线电波的应用越来越多,也出现了通讯通道紧张,频率资源不足等问题。卫星通信技术虽然可以覆盖较广的区域,但是对卫星的依赖性强,卫星频道的租用费高,同时卫星通信的干扰也多,很容易受各方面因素的影响。随着移动通信技术迅猛发展,全球3G通讯时代的到来,我国的通讯系统步入了3G时代,虽然国内3G网络的使用上还存在这样或那样的问题,但是介于第二代移动网络(2G)与第三代移动网络(3G)的GPRS技术已经完全成熟,而且应用广泛,于是GPRS技术在远程实时监测系统的应用便水到渠成了。基于GPRS的远程实时监测系统通过GPRS网络进行数据的远程无线传输。直接使用完全成熟的第二代移动网络(2G)进行数据传输,不仅可以避免组建通讯 网络的巨额前期投资,而且使用阶段的网络维护和运营成本都很低廉。所以说基于GPRS的远程监测系统具有良好的经济性与实用性,很好地适合了当前移动通信技术的发展趋势。1.2.3水位实时监测系统日本和美国自20世纪60年代起率先开始进行水情自动监测技术的研究和水位实时监测系统的开发。代表性的产品是1976年美国SM公司研制推出的一套水情自动测报设备。计算机技术的迅猛发展使得遥测设备的性能快速提高,到20世纪80年代,水情监测自动化技术在全世界范围内得到了广泛的应用。20世纪90年代后,各种功能更强、应用范围更广的水情自动监测系统在水利、气象和水电等专业领域开始广泛应用。我国从20世纪70年代中期开始在少数重点防洪地区和大型水库开始研究和建立水情实时监测系统。1986年国家颁布了水文自动测报系统规范,我国在较高的起点上快速的确立了自己的技术基础,全国建成了很多规模较大的实时监测系统。 伴随着计算机和通信技术的迅速发展,我国的水情远程实时监测系统近年来得到了较大的发展,系统通信方式己经由最初的超短波,发展到利用短波、微波、卫星和有线共用网等方式,数据通信的稳定性和可靠性有了很大的提高。在技术上我们有了长足的进步,与发达国家的产品也在不断的缩小,但是在以下几个方面我们还是存在明显的劣势:1、水位传感器技术不够先进,品种不多,应用范围有限,在产品性能和使用功能上还不能完全满足系统开发的要求;2、通信网络不够发达,手段不够丰富,使用成本高,维护不便,特别是难以满足一些中小型水库的特殊布网要求;3、设备硬件的MTBF指标与国际先进设备相比,还有待进一步提高。基于GPRS技术的水位实时监测系统,通过GPRS网络将水位等信息形成的IP数据3传输到监测中心的计算机,经过监测中心计算机的处理获取有价值的数据,从而实现水位信息的实时监控。该系统可以在防汛和水 情监测中发挥重要作用,实用价值高,有很好的发展前景。1.3课题研究的主要内容在分析现有水库水位监测系统的基础上设计一种基于GPRS的水库水位实时监测系统。首先分析水库水位检测的技术参数要求,确定本系统的技术参数以及相应的传感器选择;再根据所选择的传感器研究设计恰当的传感器信号调理电路,并研究传感器检测数据的处理方法;然后研究利用GPRS模块实现数据的传输,主要包括通信协议的设计与实现以及利用AT命令实现TCP/IP通信;最后是监测中心的设计,主要是上位机软件设计,包括数据通信程序和监测软件的设计。4第二章系统总体方案设计2.1系统功能水库水位实时监测系统通过网络化功能实现远程的监测中心实时监测多个水库水位信息。能实现对水位信息的实时监控、历史数据存储和超限报警等功能,节省了人力物力,实现了水位监测的实时性,提高了监测的可靠性。系统具体功能如下: 1、水位监测终端可连续对水库的水位信息进行自动采集、处理、分析和存储,可定时或适时向远程监测中心传输数据;2、远程监测中心可在20分钟内正确接收一次水库水位数据;3、系统有定时自报、应答和自报+应答等三种工作模式,系统的工作模式可以根据实际需要进行切换和混合使用;4、系统可靠性好,可以较长时间在潮湿、干燥、低温等恶劣天气条件下可靠地工作,减少或避免因通讯网络的故障而导致数据丢失;5、全系统时钟同步,采用采集系统定时发送时钟同步信号的方式同步时钟;6、可以对非法数据进行有效屏蔽;7、能与其它有关的计算机网络系统进行数据通信;8、可对水库水位进行实时监测、历史数据查询和超限报警。2.2系统整体结构水库水位实时监测系统主要由水位监测终端、通信网络(GPRS网络和Internet)和 远程监测中心三个部分组成,系统结构如图2.1所示。图2.1监测系统结构图水位监测终端安装在每个水库的水位监测现场,其主要的工作过程是首先通过水位5传感器采集水库水位的数据,然后对采集的数据进行分析处理和保存,接着通过GPRS通讯模块连接GPRS网络,将数据实时传送给远程监测中心里与Internet连接的计算机。水位监测终端在功能结构上可以分为两个模块:一是水位数据采集模块,负责对水库水位的数据进行采集;二是GPRS通信模块,负责与远程监测中心建立通信链路,进行无线数据传输。GPRS通信网络和Internet是远程监测中心与水位监测终端之间数据传输的桥梁,各自的GPRS数据终端将数据打成IP包,经GPRS模块接入无线GPRS网络,再由移动服务商转接到Internet,最终通过各种网关和路由将水库水位参数实时传送到远程监测中心的计算机中。远程监测中心由计算机和上位机软件组成,它 主要负责两方面的工作:一是通过Internet和GPRS网络与监测终端进行数据通信;二是对数据库进行管理和数据发布。上位机软件为用户提供一个可视化的界面,实时监测各个水库的水位参数。并可查询历史数据库,各水库水位信息的历史记录和变化曲线,从而直观全面地了解各个水库的水位参数。此外还可以为每个水库设定极限水位,实现超限报警。2.3水位监测终端2.3.1控制模块根据水位监测终端工作可靠性和数据传输实时性等方面的要求,我们选用ATmega128单片机作为水位监测终端的控制模块。ATmega128是基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128[5]的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR有整套的开发工具,包括C编译器,宏汇编,程序调试器/仿真器和评估板, 可以很方便的进行监测终端的软件开发。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元ALU相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率,能够很好的满足系统的对数据传输速度的要求。2.3.2水位传感器水位传感器需要长期浸泡在水库中,普通材料的传感器容易结垢和腐蚀氧化,影响液位检测,感应式数字化水位传感器及其系统具有安装使用方便、防冰冻期能力强、耐腐蚀、性价比高等显著的优点。现已在水文、水利、水电领域、防汛工程、国家水资源管理等领域得到了广泛应用。全国水文标准化技术委员会评价“感应式数字化水位传感器”及其系统技术为水位第一线数据的自动化采集、报送提供了一项关键、可靠的新技术。因此本系统选用感应式数字水位传感器作为水位数据采集设备。 62.3.3GPRS通讯模块GPRS通讯模块主要完成与ATmega128单片机之间的数据传输和GPRS网络以及Internet网络与监测中心计算机进行数据交换。目前,市面上GPRS通信模块的产品有很多,它们的特点和功能都大同小异,我们从性价比、便于使用等方面考虑,选择SIMCOM公司的SIM100GSM/GPRS双频模块。该模块内置TCP/IP协议,ATmega128单片机可直接通过串口向该模块发送AT命令建立TCP/IP连接实现与监测中心计算机的数据传输,并且支持PDU模式和文本模式短信息的发送和接收。2.4系统通讯方式2.4.1GPRS通信技术GPRS是GeneralPacketRadioService(通用分组无线业务)的英文缩写,是1993年由英国的BTCellnet公司提出的在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输技术。是第二代移动通信技术2G向第三代移动通信3G技术过渡的技术,作为GSMPhaseZ+1997年规范实现的内容之一,可为用户提供移动分组的IP或者X.25连接 [25]。GPRS通过在现有网络功能实体基础上增加相应的功能实体并部分改造现有的基站系来实现分组交换,就好像是在现有的GSM网络上叠加了一个新的网络。简单的说,GPRS作为一项高速的数据传输技术,它以分组交换技术为基础,使得网络中的每个用户可以同时占用多个无线信道进行通讯,而一个无线信道也可以由多个用户来共享。信道资源通过这种灵活的交换技术被充分有效的利用,高达115kbit/s的传输速度几乎能让无线上网达到公网ISDN的效果。为了体现“通讯多少、支付多少”的原则,GPRS的的计费以通信数据量的多少为主要依据。实际上,GPRS用户可以长时间的连接到GPRS网络上,只根据通信数据量的多少来支付费用,不用支付所谓的连接费用。2.4.2组网方式选择GPRSDTU作为一道桥梁,为水位监测终端与监测中心的计算机搭建了一个完全透明的数据通道。本课题中的水库水位实时监 测系统是由多个水位监测终端(即多个GPRSDTU)与一台作为数据中心的计算机构成的一个分布式数据采集系统。监测中心计算机联网的方式可以有多种方式,比如通过固定的或者动态的IP地址连接到Internet,再如利用GPRS通讯模块连接GPRS网络或从运营商获取的数据专线连接。系统设计时,可以根据数据传输的特点和系统工作的要求,采取不同的组网技术方案。具体有如下几种方案:方案一:远程监测中心服务器采用公网固定IP地址接入Internet,监测终端的GPRS-DTU直接通过IP地址访问远程监测中心的服务器。该方案组网简单,性能稳定,可靠性高,用户的使用难度低,使用的灵活性强等优7点,适合大用户来使用。方案二:数据监测中心的服务器采用动态公网IP+动态域名解析服务的方式接入。监测终端的GPRS通讯模块通过DNS解析监测中心服务器的IP地址来建立连接并完成数据通讯。 这种方式相比通过公网固定IP的接入方式费用更低廉,但是数据传输的稳定性取决于DNS服务器的稳定性。如果选用这种接入方式必须与可靠的DNS服务商合作,比较适合小规模的应用。方案三:远程监测中心采用双GPRS通讯模块,全网采用移动APN专网固定IP方式接入。此种方案需要先向运营商申请开通APN专网业务。由运营商向客户分配专用的APN,其他用户将不得申请使用该APN。得到APN后,需要给系统的每一个监控点和监测中心分配运营商内部的固定IP,而且用于GPRS的SIM卡只能开通此专用的APN,不能再使用其它APN。此种方案无需DNS解析,本身具有运营商内网固定IP,减少了中间环节,稳定性有所增强;而且数据传输都在运营商GPRS的APN内网进行,不用通过公网,传输的安全性大大提高。使用费用相对与方案二的专线接入更具优势,性价比更高。方案四:监测中心采用APN专线接入,监测点采用 内网固定IP接入。在这种方案中,监测中心的服务器通过一条APN专线接入运营商的GPRS网络,采用内网固定IP地址进行双方互联路由器的广域连接,通过GRE隧道连接GGSN和运营商的互联路由器。得到APN后,给每个监测点和数据监测中心分配运营商内部固定IP地址。监测终端和服务器之间采用端到端加密,保证信息在传输过程中不被泄漏。通讯双方采用防火墙进行隔离,并通过防火墙对IP地址和端口进行过滤。这种方案的实时性,安全性和稳定性都比前几种方案高,非常适合安全性要求高、数据监测点多、实时性要求强的应用。这是资金允许情况下的最好组网方案。根据水库水位实时监测的要求和以上分析,本系统选择远程监测中心服务器采用公网固定IP地址接入Internet,监测终端的GPRSDTU直接通过IP地址访问远程监测中心的服务器的方式(方案一)组网,虽然需要申请固定IP,但是系统的设计难度降低,实时性得到了保证,而且性价比高,利用ATmega128单片机和SIM100无线通信模块作 为核心设计GPRS数据传送终端。2.5监测中心软件设计在基于GPRS的水库水位实时监测系统中,除了现场采集设备和网络通讯程序,还需要监测中心接收和显示实时数据,监测中心软件要可实现强大复杂的功能,包括数据的实时动态显示、历史数据存储、趋势曲线绘制、超限实时报警、数据打